Μήπως μας στέλνει μηνύματα η σκοτεινή ύλη;

Άρθρο, Ιούλιος 2007

Αστρονόμοι έχουν ανιχνεύσει ακτίνες γάμμα που νομίζουν ότι προέρχονται από τη διάσπαση της σκοτεινής ύλης σε απειροελάχιστα σωματίδια.

Οι επιστήμονες έχουν κατανοήσει πολύ καλά αρκετές λαμπρές πηγές ακτίνων γάμμα, που βρίσκονται στα κατάλοιπα των σουπερνοβών. Αλλά υπάρχει, επίσης, και μια διάχυτη, κατά προσέγγιση κυκλική, χαμηλής ενέργειας πηγή ακτίνων που βρίσκεται στον πυρήνα του Γαλαξία μας. Και κανένας δεν ξέρει από πού ακριβώς προέρχεται.

Η ίδια άγνοια ισχύει και για μια πολύ μικρότερη πηγή ακτίνων γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας, που φαίνεται να προέρχεται κι αυτή από το γαλαξιακό κέντρο. Επιπλέον, από ολόκληρο τον ουρανό βλέπουμε να έρχονται ακτίνες μέσης ενέργειας γάμμα περισσότερες από το αναμενόμενο. Οι αστρονόμοι και οι φυσικοί είναι αποφασισμένοι όμως να λύσουν αυτά τα πολλαπλά μυστήρια των ακτίνων γάμμα, επειδή οι λύσεις τους μπορούν να μας πουν κάτι για τη μυστήρια σκοτεινή ύλη.

Παρατηρώντας το ρυθμό περιστροφής των σπειροειδών γαλαξιών και τις κινήσεις των γαλαξιών μέσα στα σμήνη, οι αστρονόμοι βρήκαν ότι περίπου το 85% του υλικού του σύμπαντος παράγει βαρύτητα αλλά κανένα φως. Κανένας δεν ξέρει την αληθινή φύση της αόρατης ουσίας.

Μήπως αυτή η αινιγματική σκοτεινή ύλη αποτελείται από νέους τύπους σωματιδίων; Μήπως αφήνει κάποιο αισθητό ίχνος; Ίσως το κάνουν υπό τη μορφή αυτών των τριών διαφορετικών τύπων εκπομπών ακτίνων γάμμα, που αψηφούν τη συμβατική εξήγηση.

Εξαΰλωση αντιύλης

Ακόμα κι αν υπήρχαν πράγματι προστατευτικά γυαλιά για τις ακτίνες γάμμα, δεν θα μπορούσαμε να δούμε τη μυστήρια λάμψη του Γαλαξία από δω. Η ζωή υπάρχει πάνω στη Γη επειδή η ατμόσφαιρα απορροφά αυτήν την θανατηφόρα ακτινοβολία - τα πιο ενεργητικά φωτόνια στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Οι ακτίνες γάμμα μπορούν να επισημανθούν άμεσα μόνο από ειδικά όργανα πάνω στα μετεωρολογικά μπαλόνια μεγάλου ύψους ή στους πυραύλους, και στο διαστημικά σκάφη.

Κατά συνέπεια μόλις στις αρχές του '70 οι αστρονόμοι ανίχνευσαν τις ακτίνες γάμμα από το γαλαξιακό κέντρο, που αποδείχθηκε ότι είχαν μια συγκεκριμένη ενέργεια, ένα χρώμα των ακτίνων γάμμα, στα 511 keV. Μπορεί να μην ακούγεται πολύ αλλά είναι εκατοντάδες χιλιάδες φορές περισσότερη από την ενέργεια ενός φωτονίου της ορατής περιοχής.

Τα εργαστηριακά πειράματα έχουν δείξει ότι η εκπομπή 511 keV είναι το αποκαλυπτικό σήμα της εξουδετέρωσης των ηλεκτρονίων από τα ποζιτρόνια. Όταν συγκρούεται η ύλη με την αντίστοιχη αντιύλη εξαϋλώνονται και μετατρέπουν τη μάζα τους σε ακτίνες γάμμα σύμφωνα με τη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν  E = mc²

Τα αστρονομικά στοιχεία δείχνουν ότι ένας εκπληκτικός αριθμός - 10⁵⁰ ποζιτρόνια - εξαϋλώνονται κάθε έτος στο γαλαξιακό κέντρο - σχεδόν το αντίτιμο μιας Γης κάθε 100.000 χρόνια. Από πού προέρχεται όλη αυτή η ουσία; Οι πυρηνικές αντιδράσεις στις σουπερνόβες και οι συγκρούσεις των σωματιδίων των κοσμικών ακτίνων με το διαστρικό αέριο παράγουν ποζιτρόνια, αλλά κάθε εκπομπή ακτίνων-γ ως αποτέλεσμα αυτών των διαδικασιών θα ακολουθούσε στενά την κατανομή των άστρων ή του διαστρικού αερίου. Αυτή όμως η εικόνα της κατανομής είναι πολύ διαφορετική από το σχεδόν κυκλικό κομμάτι του ουρανού, όπως χαρτογραφήθηκε το 2003 από τον δορυφόρο Integral της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας.

Μια επιστημονική ομάδα, με επικεφαλής τους φυσικούς Cιline Boehm και Dan Hooper της Οξφόρδης, πρόβλεψε το 2003 ότι αν η εξαΰλωση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης παράγει ποζιτρόνια, τότε η εκπομπή των ακτίνων-γ προέρχεται από μια ομαλή και συγκεντρωτική περιοχή. Όπως έδειξαν και τα στοιχεία της χαρτογράφησης.

Ακριβώς όπως η γνωστή ύλη - που φτιάχνεται από άτομα, έτσι και η σκοτεινή ύλη αισθάνεται τη βαρύτητα, πρέπει δε να βρίσκεται στον γαλαξιακό πυρήνα. Επιπλέον, η θεωρία προτείνει ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης είναι και τα αντισωμάτια τους, έτσι στις σπάνιες συγκρούσεις τους το ένα με το άλλο εξαϋλώνονται. Οι περαιτέρω υπολογισμοί δείχνουν ότι παράγονται ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, μαζί με φωτόνια και νετρίνα. Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια στη συνέχεια συγκρούονται μεταξύ τους, παράγοντας την ακτινοβολία 511 keV. Σύμφωνα με τους Boehm και Hooper, η ακτινοβολία γάμμα που προέρχεται από το γαλαξιακό κέντρο θα μπορούσε να είναι το δακτυλικό αποτύπωμα της σκοτεινής ύλης.

Μια αντίφαση

Πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα (WIMPs). Εξάλλου η υπερσυμμετρία - μια ελπιδοφόρος θεωρία για την επέκταση του ιδιαίτερα επιτυχούς καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής - προβλέπει την ύπαρξη των "υπερσυμμετρικών συνεργατών" για κάθε γνωστό σωματίδιο. Τα WIMPs αντιπροσωπεύουν μια κατηγορία συνεργατών που ζυγίζουν μερικές εκατοντάδες χιλιάδες ή ακόμα και μερικά εκατομμύρια φορές περισσότερο από τα ηλεκτρόνια. Όντας βαριά σωματίδια, τα WIMPs αισθάνονται και ασκούν φυσικά τη βαρύτητα, αλλά αυτός είναι ο μόνος τρόπος που αλληλεπιδρούν με τη γνωστή ύλη. Δεδομένου ότι δεν αισθάνονται τον ηλεκτρομαγνητισμό, δεν εκπέμπουν ή δεν ανακλούν οποιαδήποτε μορφή ακτινοβολίας.

Αλλά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που προβλέπονται από τους Boehm και Hooper (τώρα βρίσκονται στη Γαλλία και στο Fermilab, αντίστοιχα) πρέπει να είναι σχετικά ελαφρά: το πολύ-πολύ 200 φορές τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Εάν τα σωματίδια ήταν πιο βαριά, οι εξαϋλώσεις τους θα παρήγαν ασταθείς τύπους σωματιδίων τόσο της ύλης όσο και αντιύλης. Και μόλις θα διασπώνται θα έφτιαχναν πολύ περισσότερες ακτίνες γάμμα από όσο έχουν παρατηρήσει οι αστρονόμοι.

Σύμφωνα με τους φυσικούς John Beacom και Hasan Yüksel του πολιτειακού πανεπιστημίου του Οχάιου, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που υπονοούνται από τους Boehm και Hooper πρέπει πραγματικά να ζυγίζουν λιγότερο από 6 μάζες ηλεκτρονίων. Οι ίδιοι επισημαίνουν ότι τα ποζιτρόνια και τα ηλεκτρόνια ως το αποτέλεσμα της εξαϋλωσης της σκοτεινής ύλης παράγουν επίσης ακτίνες γάμμα με ενέργειες υψηλότερες από 511 keV. Αυτή η ακτινοβολία είναι ισχυρότερη για τα πιο βαριά σωματίδια της σκοτεινής ύλης. Αλλά τα παρατηρητήρια των ακτίνων γάμμα δεν τα έχουν ανιχνεύσει. Έτσι εάν το σήμα των 511 keV έχει να κάνει με τη σκοτεινή ύλη, τότε τα μυστήρια σωματίδια της πρέπει όντως να είναι πολύ ελαφριά.

Εν τω μεταξύ, οι αστρονόμοι Kyungjin Ahn και Eiichiro Komatsu από το πανεπιστήμιο του Τέξας, του Ώστιν, έχουν υπολογίσει την αναμενόμενη ισχύ του εξωγαλαξιακού υποβάθρου των ακτίνων-γ, υποθέτοντας ότι όλοι οι φωτοστέφανοι (άλως) της σκοτεινής ύλης γύρω από τους απόμακρους γαλαξίες, παράγουν την ακτινοβολία 511 keV μέσω της διαδικασίας που προτείνεται από τους Boehm και Hooper. Διαπίστωσαν ότι αυτό το υπόβαθρο πρέπει να είναι ισχυρότερο από το παρατηρηθέν εκτός κι αν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ζυγίζουν περισσότερο από, περίπου, 40 ηλεκτρόνια. Το επιχείρημά τους είναι απλό: μια χαμηλότερη μάζα σημαίνει έναν μεγαλύτερο αριθμό σωματιδίων για το ίδιο συνολικό ποσό κοσμικής σκοτεινής ύλης, κι έτσι θα παρήγαγαν περισσότερα ποζιτρόνια και ηλεκτρόνια, με συνέπεια ένα ισχυρότερο σήμα.

Και εδώ βρίσκεται η αντίφαση. Ένα σωματίδιο δεν μπορεί ταυτόχρονα να ζυγίζει λιγότερο από 6 μάζες ηλεκτρονίων και περισσότερο από 40 μάζες ηλεκτρονίων. Ο Hooper παραδέχεται ότι η δική του και του Boehm η ιδέα για τη σκοτεινή ύλη, που χαιρετήθηκε με ενθουσιασμό το 2003, εμφανίζεται τώρα να είναι "λιγότερο ελκυστική," αλλά σημειώνει ότι τα συμπεράσματα των Ahn και Komatsu εξαρτώνται έντονα από την κατανομή της σκοτεινής ύλης στο Γαλαξία μας και αλλού. Αυτός επίσης λέει ότι δεν έχει καμία καλύτερη ιδέα για να εξηγήσει το μυστήριο των 511 keV.

Το μυστήριο του HESS

Οι τέσσερις παραβολικές κεραίες HESS για την παρατήρηση της ακτινοβολίας Cerenkov

Και εδώ δεν τελειώνει η ιστορία των ακτίνων-γ. Το Στερεοσκοπικό Σύστημα Υψηλής Ενέργειας (HESS) έχει παρατηρήσει πρόσφατα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας φωτόνια ακτίνων-γ από το γαλαξιακό μας κέντρο. Θα μπορούσε άραγε αυτό το σήμα να αφορά τη σκοτεινή ύλη; Ίσως, λέει ο Ahn, αλλά αυτή η ερμηνεία θα ήταν ακόμα πιο δύσκολο να συμφιλιωθεί με την τρέχουσα σκέψη για την ύπαρξη των WIMPs, τα πλέον πιθανά υποψήφια σωματίδια γα την σκοτεινή ύλη.

Το HESS είναι μια νέα σειρά 4 παραβολικών κεραιών πλάτους 13 μέτρων στη Ναμίμπια για τη μελέτη των εξαιρετικά υψηλής ενέργειας ακτίνων γάμμα. Όπως όλες οι ακτίνες γάμμα, αυτά τα ενεργητικά φωτόνια δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα από το έδαφος. Αντίθετα, το HESS ανιχνεύει τα πολύ εξασθενημένα ίχνη της ακτινοβολίας Cerenkov, που τα φωτόνια της παράγονται όταν αυτές οι ακτίνες γάμμα χτυπούν τη γήινη ατμόσφαιρα. Το 2004 μια μεγάλη συνεργασία ερευνητών στο HESS ανέφερε την ανίχνευση μιας ισχυρής σημειακής πηγής αυτών των ενεργητικών ακτίνων γάμμα που συμπίπτει με το γαλαξιακό πυρήνα μας.

Δεδομένα από το παρατηρητήριο HESS δείχνουν ότι η πυκνότητα των κοσμικών ακτίνων στο γαλαξιακό κέντρο υπερβαίνει σημαντικά αυτής στο ηλιακό μας σύστημα. Στην εικόνα βλέπουμε ότι οι ακτίνες γάμμα με πολύ υψηλή ενέργεια διευθετούνται σε μια παχιά ζώνη σε ολόκληρο το κέντρο του Γαλαξία μας

Η πηγή αυτής της ακτινοβολίας είναι άγνωστη, αλλά σύμφωνα με μια ανάλυση από την ομάδα του HESS θα μπορούσε να παραχθεί από εξαϋλούμενα σωματίδια της σκοτεινής ύλης τα οποία παράγουν ασταθή σωματίδια, και που ακολούθως παράγουν υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα καθώς διασπώνται. Αλλά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα έπρεπε να είναι εξαιρετικά βαριά - περίπου 20.000 φορές η μάζα του ενός πρωτονίου (ή 40 εκατομμύρια μάζες ηλεκτρονίων). Μερικά σωματίδια που προβλέπονται από την υπερσυμμετρία μπορούν να είναι τόσο βαριά, αλλά οι παρατηρήσεις με το HESS θα δημιουργούσαν ένα πρόβλημα για το δημοφιλέστερο υποψήφιο υπερσυμμετρικό σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, το νετραλίνο, το οποίο προβλέπεται να είναι μικρότερο από 1.000 μάζες πρωτονίου. Επίσης, η ενεργειακή κατανομή των ακτίνων γάμμα δεν ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που προβλέπονται για την εξαϋλωση της σκοτεινής ύλης.

Ένα τρίτο σήμα

Όπως οι άλλοι επιστήμονες, έτσι και ο φυσικός σωματιδίων Wim de Boer στο πανεπιστήμιο της Καρλσρούης, νομίζει ότι οι αστροφυσικές διαδικασίες στο γαλαξιακό πυρήνα που περιλαμβάνει σουπερνόβες, αστέρια νετρονίων, ή μαύρες τρύπες μπορούν να εξηγήσουν αυτές τις ενεργητικές ακτίνες γάμμα. Επίσης θεωρεί ότι αυτή είναι η αιτία για το σήμα χαμηλής ενέργειας 511 keV. Αλλά σε πρόσφατες ανακοινώσεις, υποστηρίζει ότι ένα τρίτο σήμα ακτίνων γάμμα από το Γαλαξία δίνει  τελικά ένα δακτυλικό αποτύπωμα της σκοτεινής ύλης.

Εργαζόμενοι με στοιχεία από τους δορυφόρους Compton και EGRET που παρατηρούσαν ακτίνες-γ,  ο de Boer και δύο συνάδελφοι του ανίχνευσαν ένα εξασθενημένο υπόβαθρο ακτίνων γάμμα με ενέργειες μεταξύ 30 εκατομμυρίων και 10 δισεκατομμυρίων eV - δηλαδή μεταξύ του "μαλακού" σήματος των 511 keV και του "σκληρού" σήματος του δορυφόρου HESS. Οι πλέον πιθανές πηγές αυτών των ακτίνων-γ με μέση ενέργεια είναι ενεργητικά σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας που συγκρούονται με τους ατομικούς πυρήνες στο διαστρικό διάστημα. Αλλά το σήμα του EGRET ήταν πολύ ισχυρότερο από το αναμενόμενο.

Σύμφωνα με τον de Boer, η υπερβολή μπορεί να εξηγηθεί εύκολα από την εξαΰλωση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης με μάζα 60 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου. Από τους χάρτες όλου του ουρανού του EGRET αυτός συμπέρανε τη γαλαξιακή κατανομή αυτών των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, υπολόγισε τη βαρυτική τους επίδραση, και πρόβλεψε τη μορφή της καμπύλης περιστροφής του Γαλαξία - το διάγραμμα που παρουσιάζει τη σχέση μεταξύ των τροχιακών ταχυτήτων των αστεριών και των αποστάσεών τους από το γαλαξιακό κέντρο. Η συμφωνία με την παρατηρηθείσα καμπύλη περιστροφής είναι εντυπωσιακή: οι υπολογισμοί αναπαράγουν ακόμη και μία έως τώρα ανεξήγητη "συστροφή" στην καμπύλη 35.000 έτη φωτός από το κέντρο.

Σενάριο φρίκης

Μήπως λοιπόν οι παρατηρήσεις του δορυφόρου ακτίνων-γ EGRET μας λένε κάτι για την αόριστη σκοτεινή ύλη;

Πιθανώς όχι, λέει ο θεωρητικός φυσικός Lars Bergström (πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης). Ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης με μάζα 60 πρωτονίων  μπορεί να ακούγεται σαν δώρο από τον ουρανό στους θεωρητικούς της υπερσυμμετρίας - δεδομένου ότι η προβλεφθείσα μάζα του νετραλίνο βρίσκεται σε αυτήν την περιοχή. Αλλά η εξαΰλωση αυτών των βαρύτατων σωματιδίων πρέπει, επίσης, να παραγάγει πρωτόνια και αντιπρωτόνια. Κατά συνέπεια, τα αντιπρωτόνια πρέπει να παρατηρηθούν σε μεγάλους αριθμούς από τους ανιχνευτές των κοσμικών ακτίνων, που πετούν σε μεγάλα υψόμετρα. Αλλά δυστυχώς αυτό δεν συμβαίνει. Αντιθέτως, ο Lars Bergström  υποστηρίζει ότι η παρατηρηθείσα υπερβολή του EGRET μπορεί να αποτελείται πλήρως από κοσμικές ακτίνες, των οποίων οι αριθμοί και οι ιδιότητες μπορούν να ποικίλουν σε όλο το Γαλαξία μας.

Όπως και ο φυσικός Wim de Boer, έτσι και ο Bergström είναι δύσπιστος ότι είναι υπεύθυνη η σκοτεινή ύλη για τα σήματα των 511 keV και του HESS. Μπορεί να μην υπάρχει καμία σχέση μεταξύ των γαλαξιακών ακτίνων γάμμα και της σκοτεινής ύλης. Τελικά, η σκοτεινή ύλη δεν χρειάζεται να εξαϋλωθεί απαραιτήτως σε σωματίδια. Παραδείγματος χάριν, ένα υποψήφιο εξωτικό σωματίδιο για τη σκοτεινή ύλη, το γκραβιτίνο (ο υπερσυμμετρικός συνεργάτης του γκραβιτονίου, το οποίο μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας), μπορεί να αλληλεπιδράσει τόσο ασθενώς που είναι πάρα πολύ δύσκολο να εξαϋλωθεί. Η σκοτεινή ύλη με γκραβιτίνο, λέει ο Bergström, είναι υπό κάποια έννοια ένα σενάριο φρίκης, δεδομένου ότι οι αστρονόμοι και οι φυσικοί σωματιδίων δεν μπορούν ποτέ να είναι σε θέση να το ανιχνεύσουν άμεσα.

Έτσι παραμένουν άλυτα πολλαπλά μυστήρια για τις ακτίνες γάμμα.

Και τώρα τι γίνεται; Οι αστροφυσικοί υψηλής ενέργειας αναμένουν με ενδιαφέρον την εκτόξευση τον Αύγουστο του 2007 του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Ευρείας Ενεργειακής Περιοχής (GLAST) ακτίνων-γ της NASA. Τα όργανά του είναι 50 φορές πιο ευαίσθητα από το EGRET και καλύπτουν μια πολύ ευρύτερη ενεργειακή περιοχή, μέχρι μερικές εκατοντάδες δισεκατομμύρια  ev. Ο δορυφόρος GLAST μπορεί να επιτρέψει στους αστρονόμους να λύσει το αίνιγμα των ακτίνων-γ μια για πάντα.

Εν τω μεταξύ, ένας ισχυρός νέος επιταχυντής γνωστός ως Μεγάλο Συγκρουστής Αδρονίων πρόκειται να λειτουργήσει το 2008 στο CERN στη Γενεύη. Αυτό το μηχάνημα μπορεί να ανιχνεύσει τα υπερσυμμετρικά σωματίδια άμεσα.

Έτσι δεν ξέρουμε αν τα πρώτα πειστικά στοιχεία όσον αφορά τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης θα κερδηθούν από τους αστρονόμους ή από τους φυσικούς σωματιδίων. Είναι δύσκολο να προβλεφθεί, αλλά τούτος ο αγώνας είναι ανοικτός σε όλα.